Pomiary w technice studyjnej Cyfrowe pomiary urządzeń elektroakustycznych Grzegorz Szwoch, Katedra Systemów Multimedialnych, Politechnika Gdańska
Pomiary w dziedzinie cyfrowej Pomiary przetworników A/C i C/A Pomiary sygnałów w interfejsach szeregowych Pomiary jakości sygnału cyfrowego Pomiary za pomocą wielotonów
997 Hz W pomiarach analogowych używamy standardowo równej częstotliwości 1 khz. W pomiarach cyfrowych zaleca się częstotliwość równą 997 Hz. Dlaczego? Na 24 bitach możemy zapisać2 24 różnych wartości. Sinus 1 khz przy częstotliwości próbkowania 48 khz zużyje tylko 48 różnych wartości! Sinus 997 Hz pozwala wykorzystaćwszystkie możliwe wartości sygnału, zarówno dla cz. próbkowania 48 khz, jak i dla 44,1 khz. Zarazem jest ona dośćblisko 1 khz.
Pomiary przetworników w A/C Pomiary przetworników analogowo-cyfrowych: sygnałz wejścia analogowego generatora podawany na wejście badanego przetwornika, sygnałz wyjścia przetwornika podajemy na wejście cyfrowego analizatora. Testy przetwornika A/C: typowe (char. częstotliwościowa, zniekształcenia), liniowość(odchyłka od liniowości w funkcji poziomu sygnału testowego) ocena pracy konwertera dla b. małych poziomów sygnału, ocena ditheringu, pomiar szumu kwantyzacji.
Dither Dither szum o małej amplitudzie dodawany do sygnału w celu poprawy liniowości charakterystyki przetwornika. Zmniejsza błędy wynikające z zaokrągleńprzy kwantyzacji sygnału. Generator pomiarowy powinien mieć możliwość wygenerowania sygnału dithero określonym rozkładzie (trójkątny, prostokątny). Ditherdodawany jest do sygnału testowego podawanego na wejście badanego przetwornika. Wykonuje siępomiary z dodanym ditheremi bez niego.
Pomiar liniowości przetwornika Pomiar wykonywany przez podawanie na przetwornik sygnału sinusoidalnego, o częstotliwości 1 khz i zmiennym poziomie. Pomiar wykonywany z ditherem i bez niego. Wynik wykreślany jako poziom wyjściowy w funkcji poziomu wejściowego. Oczekujemy liniowej charakterystyki w całym zakresie. Szum kwantyzacji w zakresie niskich poziomów ogranicza zakres dynamiki przetwornika.
Pomiar liniowości przetwornika Wynik pomiaru liniowości przetwornika A/C: poziom sygnału cyfrowego (dbfs) w funkcji poziomu sygnału analogowego (dbv), użyty dither
Pomiary szumów w w przetworniku A/C W typowych urządzeniach mierzy siępoziom szumu nie podając na wejście żadnego sygnału. Jeżeli na wejście przetwornika nie podamy sygnału, przetwornik nie będzie pracował. Pomiar szumu kwantyzacji przetwornika: na wejście podajemy sygnało sinus 997 Hz o małym poziomie, zwykle -60 dbfs, częstotliwośćta zostaje odfiltrowana z sygnału wyjściowego, mierzony jest poziom pozostałego sygnału, zwykle z użyciem filtru wagowego.
Zakres dynamiki w przetworniku A/C Zakres dynamiki przetwornika (dynamic range) jest równy odstępowi między 0 dbfs a poziomem szumu. Teoretyczna dynamika przetwornika A/C n-bitowego: 3 n SNR = 20 log 2 6,0206 + 1,761 2 n Np. dla n = 16: SNR = 98,09 db n = 24: SNR = 146,25 db Rzeczywista dynamika jest mniejsza, ze względu na szum kwantyzacji.
Szum modulowany Jeżeli poziom szumu kwantyzacji jest zależny od poziomu sygnału wejściowego, mówimy o szumie modulowanym lub muzycznym (modulacja szumu noise modulation). Pomiar poziomu szumu modulowanego: podaje sięna wejście przetwornika sygnałsinusoidalny o małej częstotliwości (50 Hz) poziom szumu jest mierzony dla różnych częstotliwości, przy użyciu przestrajanego filtru wąskopasmowego, pomiar powtarza siędla zmiennego, ale małego poziomu sinusa testowego (od -90 do -70 dbfs).
Szum modulowany Poziom sygnału testowego nie powinien wpływaćna wynik pomiaru krzywe powinny się pokrywać.
Pomiar charakterystyki częstotliwo stotliwościowej Charakterystyka częstotliwościowa przetwornika A/C - pomiar dotyczy dwóch przypadków. Pomiar w paśmie akustycznym (20 Hz 20 khz) - tak jak dla każdego urządzenia. Pomiar w szerokim paśmie pozwala zbadaćdziałanie filtru anty-aliasingowego. Generator musi wytwarzać sygnały testowe o dużych częstotliwościach (np. 200 khz)
Maksymalny poziom wejściowy Maksymalny poziom sygnału analogowego podanego na wejście przetwornika A/C, który nie powoduje cyfrowego przesterowania sygnału na wyjściu (THD+N < 1%). Inaczej: poziom sygnału wejściowego, potrzebny do uzyskania poziomu 0 dbfsna wyjściu cyfrowym (czyli do osiągnięcia pełnej skali). Pomiar wykonuje się: zwiększając poziom sygnału sinus na wejściu, obserwując poziom cyfrowego sygnału na wyjściu, aż zostanie osiągnięty poziom wyjściowy 0 dbfs (w praktyce: ok. -0,1 dbfs)
Pomiar zniekształce ceń nieliniowych Pomiar THD+N w przetworniku A/C Sygnałem testowym jest zwykle sinus o częstotliwości 997 Hz i poziomie -1 db FS. Pasmo testowe jest ograniczane filtrem do 20 khz. Charakterystyka THD+N: w funkcji poziomu sygnału wejściowego, w funkcji częstotliwości Pomiary zniekształceńintermodulacyjnych(imd) są użyteczne w przypadku przetworników (bardziej niż dla typowych urządzeń audio).
Pomiar zniekształce ceń nieliniowych THD+N w funkcji częstotliwości oraz poziomu.
Pomiary przetworników w C/A Dla przetworników cyfrowo-analogowych, sytuacja się odwraca względem przetworników A/C. Sygnałz cyfrowego generatora pomiarowego podajemy na wejście przetwornika. Sygnałz wyjścia przetwornika podajemy na analogowy analizator. Większośćpomiarów wykonujemy analogicznie jak dla przetwornika A/C.
Pomiary przetworników w C/A Poziom wyjściowy dla pełnej skali: poziom wyjściowego sygnału analogowego dla sinusa testowego 997 Hz o poziomie 0 dbfs, przy THD+N < 1%. Poziom szumu: mierzony przy podaniu tonu 997 Hz o poziomie -60 dbfs na wejście przetwornika. Szum filtrowany do pasma 20 Hz 20 khz, z usunięciem częstotliwości 997 Hz, zwykle używany też filtr wagowy. Zakres dynamiki przetwornika (dynamic range): różnica tych dwóch wartości decybelowych.
Pomiary odtwarzaczy CD/DVD W przypadku odtwarzaczy płyt, nie ma możliwości podłączenia cyfrowego generatora. W roli generatora sygnałów testowych występuje płyta testowa, zawierająca zbiór typowych sygnałów. Najważniejsze sygnały testowe: sinus, 997 Hz, stały poziom 0 / -20 / -60 dbfs sinus przestrajany krokowo, 0 / -1 / -20 dbfs, 11 i 31 punktów sinus o przestrajanym poziomie cisza cyfrowa, z ditheremi bez dwutony do IMD
Pomiary charakterystyk toru cyfrowego Pomiary w układzie cyfrowe wejście cyfrowe wyjście: charakterystyka częstotliwościowa zwykle za pomocą sinusa -1 dbfs THD+N sinus -1 dbfs, 997 Hz, także w funkcji amplitudy i częstotliwości charakterystyka liniowości przesłuch Pomiary szumu sąbezcelowe w torze cyfrowym szum nie zostanie dodany do sygnału.
Błędy w torze cyfrowym Przy poprawnej transmisji sygnału cyfrowego, sygnał na wyjściu powinien byćtaki sam jak na wejściu. Na skutek różnych czynników, mogąnastąpićbłędy bitowe w sygnale. Dane cyfrowe wymieniane między urządzeniami są chronione kodami korekcyjnymi, które pozwalają naprawić pewną liczbę błędów bitowych. Podstawowa metoda pomiaru błędów bitowych to podanie znanego ciągu bitów na wejście i porównanie go z sygnałem na wyjściu obliczenie stopy błęduw %.
BITTEST Sygnał BITTEST służy do pomiaru stopy błędów bitowych. Typowe sekwencje testowe: sygnał stały (ta sama wartość) sygnał przypadkowy (rozkład równomierny) walking bit: wszystkie bity 0, poza jednym (walking one), albo wszystkie bity 1, poza jednym (walking zero), odmienny bit przesuwa sięcyklicznie od najmłodszego do najstarszego bitu.
Cyfrowe interfejsy szeregowe Sygnałcyfrowy jest przesyłany pomiędzy urządzeniami zazwyczaj przy użyciu interfejsów szeregowych. Format danych opisuje sposób organizacji przesyłanych danych w ramki. Każda ramka zawiera: metadane opisujące sygnał, dane samego sygnału - próbki. Najważniejsze formaty danych: AES/EBU (AES3) sprzęt profesjonalny, SPDIF/EIAJ urządzenia powszechnego użytku
Organizacja danych w AES3 Blok danych dzielony na ramki (frame). Podramka(subframe) - dane dotyczące jednego kanału. Preambuła (preamble) znacznik początku podramki
Organizacja danych w AES3 Struktura podramki danych: Flagi dostarczają użytecznych informacji o sygnale: V: validity poprawność danych U: user data dane informacyjne C: channel status stan kanału danych (np. CRCC) P: parity bit parzystości
Kodowanie w AES3 Kodowanie Biphase Mark Coding (BMC): dwa impulsy zegarowe na bit pierwszy: zegar zawsze zmiana stanu drugi: dane zmiana stanu tylko dla bitu = 1 Dla ramki 2*32 bity, cz. pr. 48 khz, szerokość impulsu zegarowego (UI): 1 UI = 1 / (2 * 2 * 32 * 48000) = 163 ns
Pomiary sygnału u w interfejsach szeregowych Przykładowe okno analizy sygnału cyfrowego
Analiza ramek sygnału u cyfrowego
Pomiary sygnału u w interfejsach szeregowych Postać czasowa sygnału: Postać widmowa sygnału:
Parametry sygnału u cyfrowego Podstawowe parametry sygnału cyfrowego: amplituda impulsów -zniekształcana przez wpływ szumu i zakłóceń, początek impulsu, czas narastania i opadania impulsu zniekształcane przez jitter. Duże zniekształcenia powodowane przez szum i zakłócenia oraz przez jittermogąspowodowaćbłędy bitowe urządzenie nie jest w stanie poprawnie rozpoznać czy impuls reprezentuje 0 czy 1.
Parametry sygnału u cyfrowego Ilustracja zniekształceńamplitudowych (szumy i zakłócenia) oraz czasowych (jitter):
Jitter Określenie jitter dotyczy wszelkich zniekształceń czasowych, objawiających sięodstępstwem od idealnego cyklu zegarowego. Idealne impulsy powinny zaczynać się i kończyć w momentach będących wielokrotnościąokresu zegara (w AES3: 163 ns). Zniekształcenia typu jitterobajwiająsięwahaniami (zwykle cyklicznymi) wokół oczekiwanej wartości.
Jitter Rodzaje jittera: wewnętrzny (intrinsic) powstaje w urządzeniu, między wejściem a wyjściem, w wyniku zakłóceń, niedokładności elementów konstrukcyjnych, itp. związany z połączeniami pomiędzy urządzeniami, związany z próbkowaniem sygnału analogowego (sampling jitter) dotyczy przetworników wprowadzany sztucznie przy pomiarze przez generator, aby sprawdzićjak duży jitter wytrzyma badane urządzenie.
Pomiar jitter Pomiar zniekształceń jitter: wykrycie w analizowanym sygnale początku impulsu (analiza zmian amplitudy), porównanie z cyklem zegarowym. Mierzone parametry jitter: amplituda wielkośćodchyłki czasowej od cyklu zegarowego (uwaga: amplituda dotyczy tutaj osi czasu, nie wartości sygnału!), częstotliwość wahań wokół oczekiwanej wartości
Postać czasowa i widmowa jitter
Histogram jitter Wynik analizy statystycznej, przedstawia rozkład amplitud jittera w badanym sygnale. Duży i wąski prążek dla 0 s oznacza mały jitter. Szeroki i niski wykres oznacza duży jitter.
Badanie podatności urządzenia na jitter Badanie wg zaleceń AES3: sygnałtestowy sinusoidalny, amplituda 1 FS, częstotliwość 3,456 khz do sygnału dodawany jitterw postaci sygnału sinusoidalnego o częstotliwości przestrajanej w zakresie 50 Hz 100 khz, amplituda jitterwysoka dla małych cz., maleje ze wzrostem częstotliwości sygnał + jitter podawany na wejście urządzenia pomiar zniekształceń THD+N urządzenia jeżeli zniekształcenia wzrastają, urządzenie nie potrafi odtworzyć zniekształconego sygnału.
Badanie podatności urządzenia na jitter Normy odporności na jitter definiują jaka międzyszczytowa (peak-to-peak) amplituda jittera(wyrażona w jednostkach UI, w AES3: 1 UI = 163 ns)nie powinna powodowaćbłędów bitowych. Dla sprzętu profesjonalnego Dla sprzętu konsumenckiego
Eye pattern Wykres eye patternto specyficzny sposób przedstawiania wyniku pomiaru sygnału cyfrowego. Dostarcza informacji o zniekształceniach amplitudowych i czasowych (jitter) w sygnale.
Eye pattern Jak powstaje wykres eye pattern: analizowana jest duża liczba kolejnych impulsów, wszystkie impulsy sąwykreślane w stosunku do idealnego impulsu, jeden na drugim, krawędźwewnętrznego obszaru oka reprezentuje najgorszy przypadek. Mierzone parametry: rozstęp pionowy amplituda, maleje gdy wzrasta poziom szumów i zakłóceń, rozstęp poziomy czas impulsu, maleje gdy wzrasta jitter
Eye pattern Wykres nałożonych na siebie impulsów
Eye pattern Szary prostokąt w środku wykresu oznacza dopuszczalne zniekształcenia wg normy AES3 (±200 mv, 0,5 UI) Kontur wewnętrznego oka nie powinien nachodzićna ten obszar.
Pomiary przy użyciu u wielotonów Cyfrowe analizatory wprowadziły zupełnie nowe możliwości analizy sygnałów, np. obliczenie widma poprzez FFT i dokładne pomierzenie każdej częstotliwości sygnału. Wieloton to specyficzny sygnał testowy. Analiza wielotonupozwala uzyskaćkilka podstawowych parametrów toru fonicznego za pomocąpojedynczego pomiaru! Pozwala to wykonywaćszybkie pomiary kontrolne. Można też mierzyć tor analogowy.
Pomiary przy użyciu u wielotonów Wieloton(multitone) specjalny cyfrowy sygnałtestowy, będący złożeniem wielu (5 60) tonów (sinusów). Typowa implementacja: ok. 30 tonów. Tony sąrozłożone w widmie (FFT) sygnału w szczególny sposób: prążki tonów znajdująsięw parzystych przedziałach FFT żaden z prążków nie leży w przedziale, w którym może pojawićsięskładowa harmoniczna lub intermodulacyjna od innych tonów amplituda tonów jest równa
Rozdzielczość analizy Zaletąmetody z użyciem wielotonówjest to, że krótkie czasy trwania sygnału testowego wystarczajądo uzyskania zadawalającej rozdzielczości podczas analizy. Zależnośćrozdzielczości analizy od czasu trwania impulsu testowego: DŁUGOŚĆ IMP. 960 ms 480 ms 240 ms 120 ms 60 ms ROZDZIELCZOŚĆ 2,93 Hz 5,86 Hz 11.72 Hz 23.44 Hz 46.88 Hz
Pomiar z użyciem u wielotonów Przebieg pomiaru: generator wysyła wielotonna wejście badanego urządzenia, analizator pobiera sygnałz wyjścia urządzenia, pomijając zwykle początek sygnału (np. 200 ms), obliczane jest FFT sygnału, mierzone sąwartości amplitudy (rms) i fazy w poszczególnych przedziałach widmowych, obliczane są poszczególne parametry i charakterystyki.
Pomiar charakterystyk z użyciem u wielotonów Charakterystyka częstotliwościowa: pomiar amplitudy w tych przedziałach FFT, w których znajdują się tony wysłane z generatora naniesienie wyników pomiarowych na wykres. Charakterystyka fazowa: tak samo, ale mierzy sięfazęi porównuje z sygnałem z generatora, lub z sygnałem z drugiego kanału. Przesłuch: tak jak dla char. częstotliwościowej, ale wielotonjest wysyłany tylko do jednego kanału jednocześnie
Pomiar charakterystyki częstotliwo stotliwościowej Zmierzony sygnał Uzyskana charakterystyka
Pomiar zniekształce ceń nieliniowych Pomiar zniekształceń współczynnik TD+N. To nie błąd. Total distortion + noise. Mierzona jest amplituda we wszystkich przedziałach FFT, za wyjątkiem tych, w których sątony sygnału z generatora. Mierzymy więc: prążki harmoniczne, prążki intermodulacyjne i szum. Wynik przedstawiany na wykresie oraz jako procent energii całego sygnału.
Pomiar charakterystyk z użyciem u wielotonów Poziom wyjściowy RMS suma amplitudy wszystkich przedziałów FFT na częstotliwościach tonów z generatora. Poziom szumów suma amplitud w nieparzystych przedziałach FFT (w których nie ma żadnych składowych). Dodatkowo, wykreślane jest widmo szumu. Stosunek sygnał-szum (SNR): stosunek obliczonej amplitudy całego sygnału (wszystkie przedziały) do zmierzonego poziomu szumu.
Wyzwalanie pomiaru (trigger( trigger) Analizator może zostaćuruchomiony automatycznie, po wykryciu wielotonu w monitorowanym sygnale.
Pomiary sygnału u radiowego Chcemy dokonać pomiarów sygnału radiowego. Za pomocą wielotonów i wyzwalania: krótki wieloton(np. 250 ms) może być wbudowany np. w dżingiel stacji radiowej analizator wykrywa obecnośćwielotonu, pobiera go i analizuje obliczone parametry są zapisywane w raporcie operator może zostaćpowiadomiony o sytuacji, w której parametry nie mieszczą się w normie (pass/fail).
Bibliografia Bob Meltzer: Audio Measurement Handbook. Audio Precision, 1993.. WayneJones: Measuring Digital Audio. Broadcast Engineering, 11/2002. Richard C. Cabot: Fundamentals of Modern Audio Measurement. AES MOA-02, 1997. Julian Dunn: Measurement Techniques for Digital Audio. Audio Precision Application Note#5. Audio Precision: APx500 User s Manual. System TWO User s Manual.